Sorprendenti "capsule del tempo" svelano segreti del nostro passato

Sappiamo che il clima della Terra è cambiato nel corso della storia. Periodi lunghi e freddi, le ere glaciali, si sono alternati a periodi brevi e caldi, le ere interglaciali. L’era in cui stiamo vivendo è un’era interglaciale, che iniziata circa 12.000 anni fa sarà seguita tra poche migliaia di anni da una nuova era glaciale. Il ramo della scienza che studia questi cambiamenti climatici così lontani nel tempo è la paleoclimatologia.

Come hanno fatto i paleoclimatologi a scoprire dell'esistenza di passate ere glaciali e interglaciali? La risposta è nelle “carote”, ma non gli ortaggi! Bensì nel prodotto dei carotaggi. Ma andiamo per ordine.

Crostacei e molluschi come “capsule del tempo”

Protagoniste sono alcune specie di animaletti marini che, a loro insaputa, hanno conservato in sé preziose informazioni sulle caratteristiche del clima all’epoca in cui sono vissuti, sono diventati vere e proprie “capsule del tempo”.

Gli animaletti marini di cui stiamo parlando sono gli invertebrati che per proteggere il proprio corpo sono dotati di un esoscheletro, cioè di uno scheletro esterno, come ad esempio i gusci e le conchiglie dei molluschi o il carapace dei crostacei.

Questo esoscheletro viene costruito grazie ad una proteina specializzata che cattura il carbonato di calcio presente in mare e lo fissa, strato dopo strato, formando conchiglie, gusci o carapaci.

Il carbonato di calcio (CaCO3) è composto di ossigeno (O), calcio (Ca) e carbonio (C). Di questi elementi, è proprio l’ossigeno che rende questi animaletti speciali.

In natura esistono tre tipi di ossigeno. Il più abbondante (99.76% di tutto l’ossigeno) è l’ossigeno con 16 neutroni (si scrive ¹⁶O, ma lo chiameremo per nostra comodità ossigeno leggero), poi segue (con lo 0.2%) l’ossigeno con 18 neutroni (¹⁸O, che chiameremo per nostra comodità ossigeno pesante) ed infine (con lo 0.04%) l’ossigeno con 17 neutroni (¹⁷O). Questi tre elementi vengono chiamati isotopi, di cui quello con 18 neutroni è più pesante di quello con 16 neutroni.

Cosa succede negli oceani e in atmosfera

I tre tipi di ossigeno sono presenti anche in mare nelle molecole d’acqua. Le molecole d’acqua che contengono l’ossigeno pesante saranno più pesanti di quelle che contengono l’ossigeno leggero. Durante le ere interglaciali, quando mari e oceani si riscaldano, l'evaporazione aumenta. Tuttavia, le molecole di acqua con ossigeno leggero evaporano più facilmente di quelle con ossigeno pesante.

Il risultato è che durante le ere interglaciali la concentrazione di ossigeno leggero diminuisce nell’acqua degli oceani ma aumenta in atmosfera.

Anche il carbonato di calcio che si trova nel mare e con cui molluschi e crostacei costruiscono i loro esoscheletri contiene l’ossigeno. Pertanto ci sono molecole di carbonato pesanti (quelle che contengono ossigeno pesante) e molecole di carbonato leggere (quelle che contengono l’ossigeno leggero).

Molluschi e crostacei vissuti nelle ere interglaciali avranno gusci di carbonato di calcio pesante, mentre quelli vissuti durante le ere glaciali avranno gusci con carbonato di calcio leggero.

La stratificazione

Molluschi e crostacei sono di fatto “capsule del tempo” naturali poiché conservano nei loro gusci di carbonato di calcio informazione sulla concentrazione di ossigeno pesante o leggero corrispondente alla temperatura degli oceani e quindi dell'era in cui sono vissuti.

Una volta che molluschi e crostacei muoiono, gusci e conchiglie precipitano depositandosi sui fondali marini e oceanici. Qui, insieme a detriti di roccia e fango, creano uno strato. Il processo di stratificazione è molto lento, si stima che si formi uno strato di 1 cm in circa 1000 anni.

Questo strato nel tempo verrà coperto da un nuovo strato e così via. Gli strati più recenti si trovano sulla superficie del fondale marino, quelli più antichi sotto. Andando sempre più in profondità, al di sotto del fondale, si troveranno strati sempre più antichi.

Cosa hanno trovato gli scienziati scavando nei fondali oceanici?

Gli scienziati hanno trovato che strati molto spessi formatisi in circa 100.000 anni e contenenti gusci e conchiglie ricchi di carbonato di calcio leggero, si alternano a strati più sottili formatisi in circa 15.000 anni contenenti gusci ricchi di carbonato di calcio pesante.

Da questa evidenza si è dedotta l'esistenza di periodi freddi lunghi mediamente 100.000 anni (chiamati ere glaciali), alternati a periodi meno freddi e più brevi durati mediamente 15.000 anni (chiamati ere interglaciali).

Come dicevamo, molluschi e crostacei che allietano le nostre tavole sono stati in passato, e lo saranno per il futuro, preziose capsule del tempo a cui è legata la scoperta delle passate ere glaciali e interglaciali.

Scoperta simile è stata fatta scavando nei ghiacciai continentali, ad esempio in Antartide o in Groenlandia. Questi si sono formati in seguito all’accumulo di successivi strati di neve caduti nei periodi invernali nel corso della storia.

Stavolta, invece di analizzare i gusci, sono state analizzate le bolle d’aria intrappolate nel ghiaccio. Si è trovato che spessi strati di ghiaccio con bolle d’aria ricche di ossigeno pesante (tipico in atmosfera durante le ere più fredde) si alternano a strati più sottili con bolle ricche di ossigeno leggero (tipico delle atmosfere delle ere più calde).

Come si estraggono le carote

Per scavare nei fondali oceanici in modo da prelevare campioni per analizzarne il contenuto di carbonato di calcio e quindi di ossigeno pesante e leggero è stata messa a punto una tecnica chiamata carotaggio.

Essa consiste nell’estrarre campioni cilindrici (da cui il nome di carota) di materiale dai fondali marini o dai ghiacciai (ma anche dagli alberi), preservandone la stratificazione.

Nel caso dei sedimenti oceanici, il carotiere è un tubo metallico cilindrico vuoto della lunghezza di una decina di metri. Questo viene appesantito da una testa di circa 1200 kg. Dentro il tubo viene inserito un tubo di plastica (PVC) detto liner anch’esso vuoto e di sezione leggermente più piccola.

Una volta che la nave raggiunge il luogo di carotaggio prescelto, il carotiere assicurato ad un cavo viene calato in acqua e fatto scendere verticalmente a velocità (grazie al peso aggiuntivo della testa) in modo che si conficchi quanto più possibile nel fondale.

Il carotiere assicurato ad un cavo viene calato in acqua e fatto scendere verticalmente a velocità (grazie al peso aggiuntivo della testa) in modo che si conficchi quanto più possibile nel fondale.

Conficcandosi, questo si riempie con una carota di materiali, poi ne viene chiusa l'estremità, per evitare che la carota fuoriesca, e riportato a bordo. Qui il tubo di plastica contenente la carota viene estratto dal carotiere, tagliato in più sezioni per facilitarne il trasporto, e poi inviato ai laboratori di analisi.

Nei laboratori di analisi, ciascuna sezione della carota viene divisa longitudinalmente in due parti uguali (come mostrato in figura); su una metà vengono effettuate operazioni di calibrazione (ad esempio stabilire l'età di ciascun strato), mentre sull’altra le analisi sul carbonato di calcio delle conchiglie, gusci e carapaci ivi presenti per misurarne la concentrazione di ossigeno leggero e pesante.

La datazione dei diversi strati della carota viene fatta sfruttando la loro radioattività naturale (datazione radiometrica), per cui è possibile alla fine assegnare a ciascun strato l'età e dalla concentrazione di ossigeno pesante e leggero la corrispondente temperatura dell'oceano.

Ciò ha permesso di scoprire come almeno nell’ultimo miliardo di anni il clima della Terra sia oscillato tra lunghe ere glaciali e brevi ere interglaciali.